船用燃氣輪機回熱器設計的數(shù)值研究

鄭春兵

海軍駐青島造船廠軍事代表室，山東青島 266002

0 引 言

船用燃氣輪機回熱器通常是一種間壁式換熱器，其功能是回收動力渦輪出口燃氣的部分熱量，預熱壓氣機出口的空氣，從而提高燃氣輪機的熱效率。與船用燃氣輪機的設計要求相同，人們總是希望設計的回熱器在滿足主要熱力性能指標的前提下質(zhì)量盡可能輕、結構盡可能緊湊和換熱效果盡可能佳［1-6］。以往開展該項研究時，往往側重于單純的回熱器設計，沒有考慮回熱器換熱器兩側氣體（一側為空氣，一側為燃氣）的不同熱力性質(zhì)，且氣體在回熱器通道中流動時產(chǎn)生的壓力損失通常也被視為定值，這些簡化計算措施明顯會造成計算結果的誤差，并不能完全反映工程實際。本文將回熱器作為船用燃氣輪機的一個關鍵部件，在考慮回熱器冷熱兩側的實際工質(zhì)熱力性質(zhì)和氣體在回熱器通道中的壓力損失變化的基礎上，進行了船用回熱器的設計并分析了其對燃氣輪機性能的影響。

1 回熱器的選型

回熱器主要有3種設計方案［7］：固定管板式、螺旋板式和板翅式。通常，采用傳熱效率、流體阻力、結構緊湊程度以及制造成本等特征量指標來描述回熱器設計方案的優(yōu)劣程度。每個設計方案中特征值的權重（權重表示在評價過程中是被評價對象的不同側面的重要程度的定量分配，對各評價因子在總體評價中的作用進行區(qū)別對待）和隸屬度（每個方案的所有指標分別隸屬于優(yōu)等方案中的程度，即隸屬度，在區(qū)間［0，1］內(nèi)）如表1所示。

表1 回熱器設計方案中特征值的權重和隸屬度Tab.1 The weight and membership degree of the eigenvalues in the design project of the regenerator

由表1可知，板翅式回熱器的效率最高。鑒于船用燃氣輪機中工質(zhì)（空氣和燃氣）結垢性不強、腐蝕性不大的特點，回熱器采用板翅式設計方案是最佳選擇。

板翅式換熱器的結構形式很多，但其結構元體基本相同，通道的排列有單疊式、復疊式2種，如圖1所示。圖中，L，L1和L2分別為各對應通道的翅片尺寸。

圖1 回熱器通道Fig.1 The regenerator’s channels

由于單疊布置的翅片效率高于復疊布置，且對于多股流體的板翅式回熱器而言，當通道排列偏離理想位置時，局部的熱負荷將引起很大的不平衡，加劇溫差傳熱損失，降低回熱器效率，因此，在設計船用燃氣輪機回熱器時選擇單疊式排列方式。

若對各個通道進行不同方式的疊置和排列，釬焊成整體，可得到最常用的逆流、并流、錯流、錯逆流板翅式換熱器板束。相關資料表明，在同樣的條件下，逆流時的平均溫差總是大于并流時的平均溫差，而平均溫差相同時逆流所需換熱面積最小。所以，船用燃氣輪機回熱器設計成逆流式時體積最小。

翅片式、板翅式回熱器為最基本的元件，傳熱主要通過翅片來實現(xiàn)，其余過程直接通過隔板完成。翅片與隔板的聯(lián)結均為完善的釬焊，因此，大部分熱量經(jīng)翅片通過隔板傳到了冷流體。翅片除承擔主要的傳熱任務外，還承擔著兩隔板之間的加強作用。翅片的型式主要有平直式、鋸齒式、多孔型和波紋型等3種。因為回熱器燃氣側熱容量大，傳熱系數(shù)較高，有一定的污染性，因此燃氣側采用平直型翅片?；責崞骺諝鈧扔捎诳諝廨^為干凈，壓力較高，相對壓損小，傳熱系數(shù)較低，因此應在空氣側進行強化傳熱措施，提高空氣側的傳熱系數(shù)，從而提高整個回熱器的傳熱效果。同時，艦船生命力方面的要求對噪音和振動有所限制，所以空氣側采用鋸齒型翅片。

綜上所述，船用燃氣輪機回熱器的設計應為逆流板翅式，其通道采用單疊式排列，燃氣側為平直型翅片，空氣側為鋸齒型翅片，翅片材料必須適應海洋工作環(huán)境。

2 回熱器的設計

2.1 工質(zhì)熱力參數(shù)的確定

在回熱器的設計中，需要利用空氣和燃氣的熱力性質(zhì)數(shù)據(jù)。當燃氣溫度不超過1 500℃時，氣體的裂解現(xiàn)象一般可以忽略?？諝夂腿細獾臓顟B(tài)參數(shù)，如焓、比熱、相對壓力、普朗特數(shù)、密度、導熱系數(shù)及粘度等都可視為溫度的函數(shù)，而與壓力無關。由于空氣和燃氣是2種成分不同的工質(zhì)，其熱力參數(shù)迥異，在以往計算中，并沒有著重區(qū)分這一點。顯然，這會帶來一定程度的誤差。為了進一步提高運算精度，使得計算結果在工程應用上更有價值，在計算這些參數(shù)的過程中，采用了吳仲華教授給出的熱力性質(zhì)表［8］。為便于計算機計算，采用數(shù)學公式表示工質(zhì)狀態(tài)參數(shù)。

燃氣輪機所用的燃料是C8H16，它與空氣的化學反應式為：

式中，X為空氣中非氮、非氧成分。由該反應式可知，1 mol的 C8H16和 57.17 mol的空氣完全燃燒后生成61.17 mol的燃氣。對純?nèi)細?，燃料系?shù)β=1；對空氣，β=0；對一般燃氣，β介于0與1之間。因此，βmol的燃料與57.17 mol空氣的反應可表示為：

由式（2）可知，在燃料系數(shù)為 β的燃氣中，空氣的摩爾成分 A=57.17(1-β)/(57.17+4β)；純?nèi)細獾哪柍煞?B=61.17β/(57.17+4β)。因此，燃料系數(shù)為 β的燃氣熱力性質(zhì)，如焓、比熱、相對壓力等可分別為：

為避免繁瑣的查表計算，可以采用最小二乘法［9］將燃氣熱力性質(zhì)表中有關的曲線和圖表擬合成多項式的形式，即：

式中，ai，bi和ci分別為系數(shù)。

在回熱器設計過程中，還涉及一些原始曲線的讀取，如雷諾數(shù)Re隨傳熱因子 j和摩擦因子 f的變化特性圖，收縮阻力系數(shù)Kc和擴大阻力系數(shù)Ke隨板束通道截面積與集氣管最大截面積之比σ的變化特性圖。同樣都采用最小二乘法將曲線和圖表擬合成多項式，并編制成方便調(diào)用的子程序。

2.2 回熱器的設計步驟

已知某船用三軸簡單循環(huán)燃氣輪機設計參數(shù)：低壓壓氣機進口空氣流率Ga=85 kg/s；進入回熱器空氣和燃氣的溫度Tai=251.8℃，Tgi=515.6℃；空氣側允許壓降為1%，燃氣側允許壓降為3%；排氣口直徑為2.430 m。

在設計回熱器的過程中，先初步選定回熱器的總體尺寸，再通過迭代法來進行回熱器設計。本文計算編程（借助通用工程軟件Matlab7.0）的具體步驟如下：

1）初選回熱器的尺寸。

2）初步假定回熱器的回熱度ε1=0.85，算出回熱器空氣和燃氣的出口溫度Tao和Tgo：

3）計算流體空氣和燃氣的雷諾數(shù) Re［10］：

式中，G為質(zhì)量流率；D為直徑；μ為流體動力的粘度；g為重力加速度。

4）計算空氣和燃氣的傳熱系數(shù)αg,αa：

式中，j為摩擦系數(shù)，由所擬合曲線 j=f(Re)算出；St為斯坦登準數(shù)。

5）計算總表面效率 ηg,ηa：

式中，λ為材料的導熱系數(shù)；δ為翅片的厚度；L為翅片的高度。

6）計算總傳熱系數(shù)K：

式中，F(xiàn)a為空氣側的總傳熱面積；Fg為燃氣側的總傳熱面積。

7）計算回熱器傳熱單元數(shù)NTU及有效度：

式中，cpa為空氣的比熱。

然后，通過所擬合的曲線方程ε=f(NTU)計算得到回熱器有效度ε。如果＞0.001，則取 ε1=ε，然后回到2）重新開始計算直到| |ε- ε1＜0.001，最后取ε=ε1，并由此算出回熱器中空氣和燃氣的出口溫度。

8）回熱器空氣和燃氣側壓力損失的計算［11］：

如果σRa和σRg均不小于規(guī)定值，則需要重新選擇回熱器的尺寸，再繼續(xù)重復上述過程進行計算，直至σRa和σRg均小于規(guī)定值為止，即此時所選的回熱器是符合要求的。在文獻［1-7］中，氣體在回熱器通道中的壓力損失一般取為定值。實際上，壓力損失并不是固定的。

圖2所示為回熱度ε隨回熱器高度h的變化關系。圖3所示為空氣和燃氣側的壓力損失ΔPa，ΔPg隨回熱器高度h的變化關系。由圖可見，隨回熱器高度的增大，回熱度不斷增大，空氣和燃氣側的壓力損失也增大。圖4所示為循環(huán)效率隨回熱度的變化。由圖可見，隨回熱度的增大，效率首先不斷增大，但最后仍然呈略微下降趨勢，這是由于過大的回熱度導致了過大的回熱器兩側的壓力損失系數(shù)，造成效率降低的程度略微超過了回熱過程帶來的益處。

圖2 回熱度ε隨回熱器高度h的變化關系Fig.2 Variation of the effectivenss of the regenerator εwith respect to the height of the regeneratorh

圖3 空氣和燃氣側壓力損失隨回熱器高度h的變化關系Fig.3 Variation of the air-side and gas-side pressure loss with respect to the height of the regenerator h

圖4 效率η隨回熱度ε的變化關系Fig.4 Variation of the efficiency with respect to the effectivenss of the regeneratorε

3 結 論

本文以某船用簡單循環(huán)燃氣輪機為母型進行研究，與以往文獻不同的是，在考慮了回熱器冷熱兩側空氣和燃氣的熱力性質(zhì)不同以及氣體在回熱器通道中流動時產(chǎn)生的壓力損失并不為常數(shù)的因素的基礎上，進行了回熱器的設計并分析了其對燃氣輪機的性能的影響。計算結果表明：

1）隨著回熱器回熱度的增大，燃氣輪機的效率越來越高；但當回熱度超過一定值時，效率卻不再提高，反而有所降低。

2）優(yōu)化改裝后的回熱器會使燃氣輪機具有更高的效率。效率的提高，意味著艦艇續(xù)航力的提高；加裝回熱器，回收了排氣中的部分熱量，降低排氣溫度，這就意味著降低了艦艇的紅外輻射強度，從而增強了艦艇的隱身能力，提高了其生命力。研究中，因無法進行實驗，故沒有考慮回熱器內(nèi)因溫度分布不均勻而產(chǎn)生的熱消耗。

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